【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种系统标定方法，用于ct成像室内经皮穿刺机械臂执行空间与影像空间两者之间的标定，本专利技术的系统标定方法特点在于：经过一次系统标定，后续多个手术无需再次标定，患者身上无需粘贴标志点。
技术介绍
1、影像引导的经皮穿刺机械臂系统中，机械臂需要根据影像中指定的靶点和进针点，自动放置穿刺针到手术空间中对应的位置。ct成像系统具有自己独立的坐标系，机械臂系统也具有自己独立的坐标系，如何正确快速找到两者之间的转换关系是经皮穿刺机械臂系统的关键技术所在。
2、在ct成像室内实施机械臂经皮穿刺手术相比在手术室内具有很大的优势，比如可以获取当前患者的影像，即刻验证手术的准确性等，因此，如何在ct成像室内完成ct成像设备与机械臂系统的坐标系标定就显得尤为必要。
3、当前一般经皮穿刺机械臂系统手术场合都在手术间，采用的是事先扫描的影像，影像坐标系空间与机械臂坐标系空间的标定方法使用每个患者身上的特定标志点。这种标定方法存在固有的弊端，即影像不是即刻扫描得到的，标志点和患者病灶在影像中可能产生移位；每个患者、每个手术部位必须做独立的标定等。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种在ct成像室内快速系统标定ct成像空间坐标系与机械臂执行空间坐标系的方法。使用该方法，经皮穿刺机械臂系统能在ct成像室内实施具有术中影像引导的穿刺手术，在在装机时，只需要一次系统标定，就可以获得ct成像设备空间坐标系与机械臂执行空间坐标系之间的转换关系，后续患者的手术执行过程中无需再做坐标系
2、本专利技术采用以下技术方案：一个固定标定器（1），固定标定器内部为4个灌注成像液体的乒乓球，4个乒乓球的球心不在同一个平面上，固定标定器一面固定4个反光球，反光球能被光学跟踪器实时跟踪，该固定标定器既能在ct成像设备中成像，又能被光学跟踪系统实时跟踪位置；坐标标定模块（2）上面有4个反光球，组成一个能被光学跟踪系统识别的工具，该工具固定于ct成像设备上，用于映射ct成像设备的坐标系；机械臂标定模块（3）也有4个反光球，组成另一个能被光学跟踪系统识别的工具，该工具与机械臂位置相对固定，映射机械臂基座坐标系。
3、ct成像室内经皮穿刺机械臂执行空间与影像空间两者之间坐标系标定的步骤为：
4、1）确定固定标定器中4个乒乓球球心c在固定标定器机械坐标系p中的坐标，该坐标由标定器模型加工确定；
5、2）放入固定标定器到ct扫描空间，开启光学跟踪系统，跟踪固定标定器表面的反光球，得到固定标定器坐标系相对光学跟踪系统坐标系m之间的转换矩阵；
6、3)通过ct扫描获得固定标定器的影像，通过图像后处理得到三个医学方位（横断位、矢状位和冠状位）三张切片，切片中包含4个球在相应切片方位中的投影，获得各个切片中圆的圆心，经过变换，得到4个乒乓球球心在成像设备坐标系v中的坐标；
7、4)同时，光学跟踪系统实时跟踪固定在ct成像设备上的坐标标定模块（2），得到坐标标定模块相对于光学跟踪系统的转换矩阵
8、5）通过 、得到 4个乒乓球球心c相对于坐标标定模块坐标系的三维坐标点集，利用3）中已经获得的另一组三维坐标点集，获得这两组三维坐标点集之间的转换矩阵,即为手术空间与ct成像空间之间的转换矩阵；
9、6)同时，光学跟踪系统同时跟踪固定在机械臂基座上的机械臂标定模块（3）和坐标标定模块（2）,得到机械臂标定模块（3）相对于坐标标定模块（2）的转换矩阵
10、7）机械臂标定模块（3）与机械臂基座坐标系r之间有固定机械坐标转换矩阵
11、8)在获得上述各个转换矩阵的基础上，我们可以得到三维医学图像坐标系v到机械臂执行坐标系r的齐次变换矩阵为：
12、
13、该齐次变换矩阵 就是最后的系统标定矩阵，完成了ct成像空间到机械臂执行空间的变换。特别是，该变换矩阵标定了整个ct成像室内的成像空间和手术空间，不是针对单独患者某部位的标定。如果在图像空间中确定的手术靶点为，则对应于机械臂执行空间中真实的手术靶点在光学测量中的坐标即为：
14、。
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1.一种用于CT成像室内经皮穿刺机械臂执行空间与影像空间的系统标定方法，包括：
2.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：固定标定器内部有4个能被CT扫描成像识别的乒乓球，4个乒乓球不在同一平面。
3.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：固定标定器表面有4个反光球，4个反光球组成一个能被光学跟踪器实时跟踪空间位置的工具。
4.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：固定标定器在CT中成像，经过三维重建，三个正交轴向MPR，得到4个乒乓球影像在三个正交轴向的投影，应用Hough变换的方法自动提取出三个面上的4个乒乓球的边缘，并计算出圆心位置, 得到图像空间坐标中的三维点集坐标，{Mi∣M ∈ R3，i = 1，2，3，4}。
5.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：用光学跟踪器同时跟踪固定标定器和坐标标定模块，得到固定标定器坐标系相对光学跟踪系统坐标系M之间的转换矩阵以及坐标标定模块相对于光学跟踪系统的转换矩阵，得到固定标定器相对于坐标标定模块的转换矩阵,引入了坐标标定模块后，消除了手术过程中光学跟踪器移动的
6.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：影像坐标标定模块固定于CT成像设备的外壳上。
7.如权利要求1和5所述的系统标定方法，其特征在于：固定标定器内4个乒乓球的机械坐标换算到坐标标定模块坐标系中，得到{Wi∣W ∈ R3，i = 1，2，…，N}。
8.如权利要求4和7所述的系统标定方法，其特征在于：计算两组点集的质心坐标，把点集的绝对坐标转化成与质心的相对坐标；对于每个点对应的两组坐标值，计算这九组乘子：
9.如权利要求8所述的系统标定方法，其特征在于：用雅克比法自动迭代求解该对称矩阵的特征值和特征向量，得到四元素：
10.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：光学跟踪系统同时跟踪固定在机械臂基座上的机械臂标定模块3和坐标标定模块2,得到机械臂标定模块3相对于坐标标定模块2的转换矩阵; 机械臂标定模块3与机械臂基座坐标系r之间有固定机械坐标转换矩阵。
11.如权利要求9,10所述的系统标定方法，其特征在于：根据和，得到三维医学图像坐标系V到机械臂执行坐标系R的齐次变换矩阵为：
...【技术特征摘要】
1.一种用于ct成像室内经皮穿刺机械臂执行空间与影像空间的系统标定方法，包括：
2.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：固定标定器内部有4个能被ct扫描成像识别的乒乓球，4个乒乓球不在同一平面。
3.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：固定标定器表面有4个反光球，4个反光球组成一个能被光学跟踪器实时跟踪空间位置的工具。
4.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：固定标定器在ct中成像，经过三维重建，三个正交轴向mpr，得到4个乒乓球影像在三个正交轴向的投影，应用hough变换的方法自动提取出三个面上的4个乒乓球的边缘，并计算出圆心位置, 得到图像空间坐标中的三维点集坐标，{mi∣m ∈ r3，i = 1，2，3，4}。
5.如权利要求1所述的系统标定方法，其特征在于：用光学跟踪器同时跟踪固定标定器和坐标标定模块，得到固定标定器坐标系相对光学跟踪系统坐标系m之间的转换矩阵以及坐标标定模块相对于光学跟踪系统的转换矩阵，得到固定标定器相对于坐标标定模块的转换矩阵,引入了坐标标定模块后，消除了手术过程中光学跟踪器移动的影响，这样标定过程和...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡克尧，焦健，张学彬，李旻炜，方顺峰，吴东梅，郑有康，金光鑫，蔡章凯，韩静，
申请(专利权)人：上海爱立峰医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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